发酵过程优化5(复习).ppt

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1、5.发酵过程控制与优化国家生化技术研究中心（上海）发酵的定义狭义的发酵是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。广义则将发酵看作是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过程。发酵过程优化发酵是一种很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素。除了菌种的生产性能，还与培养基的配比，原料的质量，灭菌条件、种子的质量、发酵条件和过程控制等有密切关系。因此，不论是新，老品种，都必需经过发酵研究这一关，以考查其代谢规律、影响产物合成的因素，优化发酵工艺条件。发酵过程优化发酵生产

2、受许多因素的影响和工艺条件的制约，同一生产菌种和培养基配方，不同厂家的生产水平也不一定相同。这是由于各厂家的生产设备，培养基的来源，包括水质和工艺条件各不尽相同。公用系统的成本不同，会采用不同工艺。发酵过程优化通常，菌种的生产性能越高，其生产条件越难满足。高产菌种对工艺条件的波动往往比低产菌种更敏感。掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对生产的稳定和提高具有重要的意义。微生物发酵过程培养方式微生物发酵过程可分为分批、补料-分批和半连续(发酵液带放)和连续等几种方式。不同的培养技术各有其优缺点。了解生产菌种在不

3、同工艺条件下的细胞生长、代谢和产物合成的变化规律将有助于发酵生产的控制。分批培养（batch）分批发酵分批发酵是一种准封闭式系统，种子接种到培养基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。在此简单系统内所有液体的流量等于零，故由物料平衡得式5-1－5-3的微分方程：分批发酵dX/dt=X(5-1)dS/dt=－qSX(5-2)dP/dt=qPX(5-3)式中X为菌体浓度(g/L);t为培养时间(h):为比生长速率（1/h);S为基质浓度(g/L);-qS为比基质消耗速率[(g/g)/h]；P为产物浓度(g/L

4、);qP为比产物形成速率[(g/g)/h]。分批发酵分批发酵过程一般可粗分为4期，即停滞(适应)期、对数(指数)生长期、静止(稳定)期和死亡期；也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期，如图5-1所示。分批发酵工业生产从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑，希望尽量缩短适应期。在停滞期(I),即刚接种后的一段时间内，细胞数目和菌量不变，因菌对新的生长环境有一适应过程，其长短主要取决于种子的活性、接种量和培养基的可利用性和浓度。分批发酵加速期(Ⅱ)通常很短，大多数细胞在此期的比生长速率可在短时间

5、内从最小升到最大值。如这时菌已完全适应其周围环境，有充足的养分而又无抑制生长的物质便进入恒定的对数或指数生长期(Ⅲ)分批发酵在对数生长期的比生长速率达最大，可用max表示，指数生长期的长短主要取决于培养基,包括溶氧的可利用性和有害代谢产物的积累。分批发酵在减速期(Ⅳ)随着养分的减少，有害代谢物的积累，生长不可能再无限制地继续。这时比生长速率成为养分、代谢产物和时间的函数，其细胞量仍旧在增加，但其比生长速率不断下降，细胞在代谢与形态方面逐渐蜕化，经短时间的减速后进入生长静止(稳定)期。分批发酵减速期的长短取决于菌对

6、限制性基质的亲和力(Ks值)，亲和力高，即Ks值小，则减速期短。分批发酵静止期(V)，实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于零，即＝,式中为比死亡速率。此期菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢产物在此期大量合成，菌的形态也发生较大的变化，如菌已分化，染色变浅，形成空胞等。分批发酵当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(Ⅵ)。这时>,生长呈负增长。工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短还取决于Xo。分批发酵将对数期称为生长期(tro

7、phophase)。将静止期称为分化期(idiophase)。生长期末为产物的形成创造了必要的条件。分批发酵(1)生长关联型根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，Pirt将产物形成动力学分为生长关联型和非生长关联型。一般，初级代谢产物的形成与生长关联；而次级代谢产物的形成与生长非直接关联。分批发酵qp=Yp/x对与生长关联的产物形成，比产物形成速率随比生长速率的增长而提高。这类产物通常是微生物的分解代谢产物，如酒精。由根霉产生的脂肪酶和由树状黄杆菌产生的葡萄糖异构酶也属于这一类型。分批发酵(2)非生长关联型此类型

8、的产物形成只与细胞的积累量有关，可用式5-9表示：dP/dt=X(5-9)式中dP/dt为产物形成速率[(g/L)/h]；为比例常数。由此式可见，产物形成速率与菌的生长速率无关，而与菌量有关。次级代谢产物中的一些抗生素的产物合成即属于这一类。分批发酵分批培养中基质初始浓度对菌的生长的影响分批培养中基质初始浓度对菌的生长的影响在浓度较低的(A~B)范围内，